La synthèse d'images doit sa naissance à la première de ses applications: les simulateurs de conduite. Si les premiers de ces systèmes ne permettaient que d'obtenir des représentations de scènes nocturnes où n'intervenaient que des sources lumineuses ponctuelles, l'accroissement des performances des matériels informatiques et 1' évolution des algorithmes ont considérablement amélioré les possibilités des systèmes récents. Toutefois l'ampleur des marchés concernés par ces systèmes est telle que les détails d'implantation et les algorithmes utilisés ne sont pas publiés. Les travaux présentés dans ce rapport sont issus de problèmes posés par la représentation de paysages, rejoignant donc ceux qui se sont posés aux concepteurs des systèmes de simulation de conduite. La plupart des travaux précédemment publiés ne prennent en compte que le terrain lui-même [FISH 80], [MAX 81], [ANDE 82], [COQU 84a] ; c'est-à-dire qu'ils ne considèrent pas les problèmes posés par la définition et la visualisation du sur-sol. Ce dernier terme recouvre à la fois les éléments naturels tels que la végétation, les cours d'eau,... et les éléments construits par l'activité humaine tels que les maisons, les routes, ...

Engendrer en temps-réel des déformations visuellement réalistes d'objets 3D, comme par exemple le corps et les vêtements de personnages, est un point crucial en animation, que ce pour des applications au jeu vidéo ou à la production cinématographique. Les méthodes de déformations géométriques actuelles rapides telles que le "skinning" ou l'animation physique à basse résolution ne capturent cependant pas certains comportements naturels essentiels. En particulier les déformations à volume constant du corps, le gonflement des muscles pour un personnage, ou la génération de plis sur ses vêtements dus au fait que leurs surfaces doivent rester développable. Cette thèse présente une série de méthodes rendant les modèles géométriques "actifs", c'est à dire capables de maintenir un certain nombre de contraintes intrinsèques de la surface portant sur le volume englobé ou sur le caractère développable de celle-ci. Nous étudions trois exemples: - l'ajout de contraintes locales de volumes lors de l'animation d'une créature virtuelle par skinning. - l'ajout de plis de vêtements modélisant une surface quasi-inextensible à partir d'une animation à basse résolution donnée en entrée. - la génération d'une surface de type papier froissé, basée sur la préservation de l'isométrie vis-à-vis d'un patron planaire. Dans tous ces modèles, notre approche est procédurale. Elle se base sur la déformation progressive et, potentiellement, le raffinement dynamique de la géométrie juste avant l'étape de rendu.

Les images de synthèse sont désormais omniprésentes dans les domaines de création artistique, en particulier celui du cinéma. Dans ce cadre, un infographiste modélise une scène virtuelle, qui est ensuite rendue par un algorithme spécialisé, appelé moteur de rendu, pour produire une image résultat, le rendu. La description de la scène et l'algorithme de rendu reposent tous deux sur des modèles physiques afin d'assurer un résultat réaliste. Cependant, l'infographiste ne recherche pas seulement un résultat réaliste mais aussi un objectif artistique, relatif à l'oeuvre concernée. Cet objectif artistique peut être en opposition avec le réalisme physique du rendu, de la même manière qu'en peinture, des techniques comme le clair-obscur ne correspondent pas à une réalité physique mais répondent à un objectif artistique précis. Dans cette thèse, nous commençons par définir la problèmatique de contrôle artistique du rendu en synthèse d'images et établissons trois critères d'évaluation des méthodes d'édition du rendu. Nous proposons une taxonomie caractérisant les différents paradigmes d'approches permettant de contrôler le rendu. Dans nos travaux, nous nous intéressons aux approches comportementales permettant de répondre équitabement à tous les critères d'évaluation retenus. Ces méthodes agissent sur le comportement du transport lumineux. Suivant cette approche, nous proposons un formalisme théorique d'édition du rendu par téléportation du transport lumineux, que nous intégrons aux équations de radiométrie, bases des algorithmes de rendu. Nous proposons ensuite une implémentation pratique, appelée portails, dans laquelle le contrôle du transport se fait à l'aide d'un couple de surfaces, entrée et sortie, représentant la téléportation dans l'espace 3D du transport lumineux. Nous intégrons les portails à différents moteurs courants, et analysons les résultats obtenus, à la fois nouveaux et en comparaison des travaux précèdents. Finalement, nous proposons une analyse préliminaire de la structure de l'espace des chemins et faisons un tour d'horizon des travaux futurs. / Nowadays, computer-generated imagery (CGI) is a standard in digital content creation, as in the context of film production. Visual artists design a model of the virtual scene. The renderer, a specific software, then produces the resulting image, called rendering. Both the 3D model and the renderer rely on physical laws in order to give photorealism. However, for artistic purposes, the visual artist does not necessarily seeks photorealism but is more inclined to care about artistic goals, mostly based on the related work of art. These artistic goals may be in opposition to physically-based rendering, in a similar way to techniques such as chiaroscuro in painting which do not yield a photorealistic result but rather aim at a precise artistic goal. In this PhD thesis, we first define the question of artistic control in rendering and specify three criteria to evaluate editing techniques. We propose a taxonomy to characterise the suitable paradigms to edit rendering. In our work, we focus on behavioural approaches, which properly suit all the evaluation criteria we defined. These methods act on the behaviour of light transport. Following this approach, we propose a theoretical formalism to edit rendering through the teleportation of light transport. We integrate this formalism in the underlying concept of rendering techniques, the rendering equation. We propose a practical tool we call \emph{RayPortals}. Using RayPortals, the rendering is edited using a pair of surfaces, input and output, defining the teleportation in 3D space of ligth transport. We integrate RayPortals in usual rendering techniques. We compare to previous work and also show some novel results. Ultimately, we propose a preliminary analysis of the path-space structure and summarize the future works.

Cette thèse s'intéresse à la génération d'illustrations "non-photoréalistes" (imitant par exemple des dessins ou des peintures) à partir de scènes 3D. L'abstraction ou la stylisation apportent à ce type de rendu des qualités communicatives, esthétiques et expressives qui le distinguent de la synthèse d'images classique. Les objectifs sont, d'une part, de fournir à l'utilisateur un contrôle flexible sur le style du rendu non-photoréaliste et, d'autre part, de proposer une formulation du style qui en permette la réutilisation pour le rendu de différentes scènes 3D. Nous avons choisi d'adopter une approche programmable qui s'appuie sur le postulat selon lequel les attributs de style (couleur, épaisseur, ...) sont choisis en fonction d'informations génériques de la scène (nature des lignes, discontinuité en profondeur, ...), et s'inspire des approches procédurales (telles que Pixar Renderman). L'idée consiste à exprimer un style comme un ensemble de procédures spécifiant les relations attributs/informations : l'utilisateur "programme" une feuille de style qui peut ensuite être utilisée pour le rendu de plusieurs scènes 3D différentes ou de plusieurs images d'une séquence animée. Cette approche est la première à offrir à la fois un contrôle flexible sur le style du rendu et une formulation réutilisable de ce style.

Dans l'ouvrage [DBB06], Dutré et al. énumèrent dix problèmes d'Illumination Globale non résolus. Parmi ceux-ci, huit sont liés à la mesure et à l'intégration de données réelles dans les simulations. Cette thèse, en quatre parties et trois annexes, s'intéresse à cette problématique. Tout d'abord, les simulations de la propagation de la lumière dans les domaines du rendu physiquement réaliste, de l'éclairage, de la télédétection, de la conception de systèmes optiques... sont envisagées comme résolutions numériques d'un problème d'optique, fédérées par la notion de " photosimulation ". Dans le cadre de l'équation de rendu, les modèles réalistes de sources et le principe de la mesure goniophotométrique en champ lointain sont alors rappelés. La représentation des interactions lumière-matière est ensuite introduite par une exploration de l'apparence macroscopique, qui amène au rappel de la Fonction de Distribution de la Réflectance Bidirectionnelle et Spectrale (SBRDF), de ses principales propriétés et modèles. Le problème de la mesure pratique de la SBRDF d'une surface dans le visible est ensuite exploré. Id est, une taxonomie des méthodes de la littérature est établie ; qui allègue en faveur du développement de nouvelles approches. Un dispositif innovant, multispectral imageant, est alors présenté. Il se fonde sur la capture de la projection de la SBRDF sur un écran lambertien 3/4-sphérique, par une caméra multispectrale grand angle, assemblage d'un objectif fisheye, d'un filtre dynamique LCTF et d'une caméra CCD 12 bits. L'extraction des images capturées de l'information de la SBRDF repose sur un modéle radiométrique, qui explicite la transformation de la lumière en niveaux des pixels, dans le formalisme physique. Ce modèle soulève des problèmes de reconstruction multispectrale et d'interréflexions, pour lesquels de nouveaux algorithmes de résolution sont implantés. Les mesures de SBRDF produites semblent très prometteuses. Dans la troisième partie, le problème de la reconstruction d'une fonction directionnelle, identifié comme fondamental en photosimulation, est traité dans le cadre de la reconstruction de SBRDF discrètes. Pour cela, les propriétés mathématiques souhaitables des fonctions reconstruites sont envisagées. Puis, à l'aune de ce corpus, les approches de la littérature sont discutées ; justifiant la recherche d'algorithmes plus performants. Une nouvelle méthode est alors proposée, fondée sur une double triangulation sphérique des échantillons, et une généralisation à la surface d'un triangle sphérique de l'interpolant spline cubique de Hermite. La fonction reconstruite est interpolante, dérivable, quasi-déterministe, ne présente pas l'artéfact bidirectionnel, intègre la métrique sphérique non euclidienne, et prend en compte le difficile problème du masquage. Qualitativement comme quantitativement, les résultats obtenus semblent plaider en faveur du surcroît de complexité théorique qu'induit cette approche. Dans la dernière partie, cet algorithme de reconstruction est appliqué au problème de la " photométrie en champ proche ", ou, la caractérisation d'une source réelle par un solide photométrique étendu. La supériorité théorique du modèle étendu est d'abord démontrée. Puis, un état de l'art de la photométrie en champ proche est réalisé ; justifiant la mise en œuvre d'une nouvelle approche. Un nouveau dispositif est alors présenté. Il repose sur le déplacement d'un vidéoluminancemètre, couplage original d'une caméra CCD 12 bits avec un luxmètre, le long d'une trajectoire hémisphérique relative à la source. Les procédures de calibrage de l'instrument - géométrique, radiométrique, et photométrique - sont explicitées. Les sources de lumière caractérisées par cette approche ont été jugées suffisamment probantes pour être intégrées aux photosimulations spectrales du CSTB

La modélisation des formes naturelles reste un enjeu majeur pour le réalisme en synthèse d'images. Ces formes sont souvent complexes et leur modélisation avec les outils classiques nécessitent généralement une masse de travail considérable pour le graphiste. Les phénomènes de croissance sont très courants dans la nature. Ils engendrent souvent des formes complexes, même quand le mécanisme mis en jeu reste simple. Recréer de telles formes par des simulations physiques n'est pas toujours très pratique, du fait du manque de contrôle sur le résultat. Nous proposons dans cette thèse un nouveau genre de modeleur, basé sur la croissance d'une surface, qui permet de recréer des formes de croissance. Le modeleur présente des contrôles supplémentaires par rapport à un simulateur physique, et il n'est pas uniquement limité à la simulation de phénomènes naturels : il permet de rajouter interactivement des détails à une surface, tel que des plis des cloques, et même des branches.

Les modèles physiques sont de plus en plus utilisés dans les recherches en animation par ordinateur, pour le réalisme et le début d'automatisme qu'ils apportent. Le travail propose dans cette thèse vise à combiner l'utilisation des modèles physiques avec le contrôle précis qu'offrent les systèmes d'animation traditionnels. Le principe est de laisser l'utilisateur guider l'animation à un haut niveau de contrôle en donnant une approximation des trajectoires désirées et des contraintes de synchronisation temporelles entre les objets. Un module de simulation calcule ensuite le mouvement final, gérant les détections et réponses aux collisions, tout en améliorant le réalisme. Une application particulière est traitée en dernière partie : le cas de la marche de créatures articulées.

La synthèse d'images de paysages naturels reste encore un problème peu abordé en infographie. Pourtant, des modèles convaincants en particulier pour la modélisation de végétaux existent, mais n'ont pu être exploités dans des scènes comportant un nombre très important d'éléments. Je présente dans ce travail, une approche pour la modélisation et le rendu d'objets naturels qui doit permettre de contourner l'obstacle de la complexité géométrique et offrir un cadre simple pour la création de structures naturelles. Ainsi un modèle basé sur les systèmes de particules est proposé pour la création de structures végétales. Ce modèle fait appel à la définition d'un automate pour le contrôle des trajectoires, de la création et de la destruction des particules. Il peut être également utilisé pour modéliser et rendre un certain nombre d'autres phénomènes naturels (nuages, eau...). Par ailleurs, une scène de paysage naturel se compose de très nombreux éléments ayant des échelles très différentes sur l'image finale. Aussi nous proposons des techniques rapides et précises, basées sur les multi-textures, qui permettent un rendu multi-échelles efficace des éléments de végétation. De part leurs caractéristiques, ces méthodes peuvent être intégrées dans une architecture spécialisée pour la synthèse d'images de paysages naturels que nous présentons.

La solution la plus commune pour résoudre les problèmes de précision liés aux arithmétiques des ordinateurs est l'utilisation d'arithmétiques exactes. Nous proposons dans la première partie de cette thèse une optimisation très puissante des arithmétiques rationnelles : l'arithmétique rationnelle paresseuse. L'originalité de cette arithmétique est de retarder les calculs exacts jusqu'à ce qu'ils deviennent soit inutiles, soit inévitables. Ainsi les calculs exacts qui ne sont pas nécessaires ne sont jamais faits. L'arithmétique paresseuse se présente sous la forme d'une bibliothèque autonome prenant à sa charge les problèmes de précision et qui est indépendante des programmes qui l'utilisent. La deuxième partie de cette thèse présente un outil de modélisation dont le principal intérêt est d'utiliser l'image des objets comme support à leur modélisation sous forme d'arbre de construction. Cet outil est interactif, l'utilisateur pourra de cette manière ne modéliser que ce dont il a besoin et avec le niveau de détails le plus adapté à ses applications. Les extensions que nous proposons dans le domaine de l'incrustation d'images de synthèse dans des images naturelles permettent de traiter correctement l'ombrage de la scène finale en tenant compte de la nature des éclairages, des ombres portées et des reflets.

La résolution de l'éclairement global d'une scène par le trace de rayons implique l'élaboration de méthodes de Monté Carlo adaptées à la complexité de l'équation de rendu. Nous proposons une méthode de résolution globale et adaptative un trace de chemin spectral partant de l'il basée sur un échantillonnage d'importance permettant d'augmenter la vitesse de convergence de la résolution. Notre méthode consiste à mimer les variations de la luminance réfléchie en tenant compte de la fonction de réflectance bidirectionnelle et des caractéristiques des sources. Ce premier échantillonnage a priori est progressivement modifie par un schéma a posteriori s'adaptant à la luminance réellement réfléchie à mesure qu'elle est connue. Le deuxième aspect de nos travaux porte sur la génération des points de l'écran afin de ne calculer que ceux qui sont nécessaires à une qualité d'image donnée. Nous proposons une technique progressive basée sur une notion d'homogénéité visuelle locale de l'image. Cette homogénéité est testée à l'aide d'un procède statistique puissant utilisant l'analyse séquentielle. Notre méthode permet souvent des gains en temps de calcul très substantiels pour une bonne qualité d'image. L'ensemble de nos travaux a été inspire par la notion de réalisme. Nous montrons que le photoréalisme est insuffisant au contrôle d'une image et proposons des pistes de réflexion pour ce concept trop peu aborde en synthèse d'images